Au cœur de chaque atome de rubidium-87 se trouve un minuscule aimant : le spin du noyau et celui de l'électron. Dans un champ externe intense, ces petits aimants cessent de s'influencer mutuellement et s'alignent indépendamment, comme deux boussoles distinctes. C'est précisément dans ce régime que fonctionne le nouveau capteur SASHMAG : il détecte le moment où les atomes absorbent la lumière laser et détermine le champ magnétique à partir de la fréquence de cette absorption.
Le faisceau laser traverse le nuage de vapeur de rubidium deux fois, dans un sens puis dans l'autre. Les atomes qui se déplacent vers le faisceau voient la lumière légèrement plus « bleue », tandis que ceux qui s'en éloignent la voient légèrement plus « rouge ». En temps normal, cela élargit le signal, mais les faisceaux contra-propagatifs compensent l'effet Doppler, ne laissant que des pics d'absorption nets. Chaque pic correspond à une orientation bien définie de l'aimant atomique.
Pour comprendre comment les atomes se comportent dans un champ intense, les scientifiques ont construit un modèle basé sur les équations de Bloch. Il prend en compte les transitions entre les niveaux d'énergie, la saturation des transitions par la lumière laser et l'élargissement des raies dû à l'agitation thermique. Le modèle correspond à l'expérience avec une précision de l'ordre de la largeur de raie, ce qui signifie qu'il est désormais possible de prédire les spectres pour des conditions quelconques.
Le champ n'est pas calculé à la main, mais automatiquement : le programme essaie différentes valeurs possibles du champ et trouve celle pour laquelle les fréquences calculées des raies correspondent le mieux aux fréquences mesurées. Cette approche donne déjà des résultats fiables, et à l'avenir elle permettra d'entraîner des réseaux de neurones sur des données synthétiques — le capteur pourra alors fonctionner encore plus rapidement et de manière plus autonome.
La magnétométrie n'est pas seulement utile dans les laboratoires. Dans les appareils d'IRM, le champ atteint 1,5 à 3 teslas et doit être contrôlé avec une grande précision. Dans les réacteurs à fusion, les champs magnétiques maintiennent le plasma surchauffé, et la moindre déviation peut interrompre la réaction. Le capteur à base de rubidium-87 est un pas vers des mesures plus économiques et plus accessibles.
Le rubidium-87 est l'atome qui fait fonctionner les horloges les plus précises au monde. Sa fréquence de transition sert à définir la seconde, et il aide désormais à mesurer les champs magnétiques.
Dans le roman « Seul sur Mars » d'Andy Weir, le héros utilise le champ magnétique pour naviguer sur Mars — des magnétomètres précis rendraient une telle tâche réalisable.